基于钻头运动诱发套管头振动信号检测的井眼防碰监测方法

针对海上加密调整井的井眼防碰问题,设计了一种井筒防碰地面监测预警系统,并进行了现场应用。系统利用加速度传感器监测通过套管传输到套管头上的钻头振动信号,利用数据采集、信号滤波放大和专门编制的监测软件记录分析传感器采集的振动信号,通过对信号的时域、频域分析,确定信号特征与井间相对距离的关系,识别钻头对风险井套管的趋近或碰撞。应用结果表明,该系统能有效感知通过地层、套管传输到套管头的钻头振动信号,并能识别出钻头对风险邻井的趋近,验证了系统在设计理论和方法上的可行性,为加密调整井的井眼防碰、保证钻井安全提供了一种有效的手段。     

推靠式旋转导向井眼轨迹预测与控制方法

旋转导向钻井系统是现代导向钻井技术的发展方向。通过导向机构调节导向参数来预测和控制井眼轨迹,是旋转导向钻井系统的关键技术之一。为解决推靠式旋转导向钻具的导向力和工具面角对井眼轨道的控制问题,对导向力分别在井斜平面和方位平面进行解耦;并应用了纵横弯曲理论建立了底部钻具组合三维力学分析模型,得出了导向参数与钻头侧向力和转角的定量关系。在考虑钻头和地层的各向异性因素的影响下,利用在UPC模型基础上提出的有效钻力的概念,通过计算钻头有效钻力来预测实钻过程中的钻进趋势。在此理论基础上,计算了按设计的井眼轨道钻进所需要的导向参数,并讨论了井眼轨迹参数、钻压、钻头各向异性参数和地层参数对钻具导向性能的影响;分析了其中的规律,并得出只有综合考虑上述各项因素,才能准确计算出导向参数,确保钻头沿设计轨迹钻进,也为旋转导向井眼轨迹控制提供了理论依据。     

水平井钻头上下倾钻进方向及位置的实时确定

确定钻头上下倾钻进方向及其在目标层中的位置是水平井地质导向钻井中的一个重要问题。介绍一种基于MWD和LWD测量信息实时确定水平井钻井中钻头上下倾钻进方向及其在目标层中位置的实用方法。该法从地质导向几何理论出发,根据井眼轨迹上相邻两点连线到水平线的夹角与地层倾角的关系有效地判断与调整钻头的上行下行钻进方向,同时通过求取钻头离目标层顶界的距离h或对比随钻测井曲线与邻井电缆测井曲线来确定钻头在目标层中的位置。将该法应用于XJMB油田3口水平井的实时钻井中,明显地提高了地质导向钻井的能力,取得了良好的随钻跟踪地质目标效果。     

基于时域统计特征的井眼碰撞识别方法

相同钻井条件下,钻头钻遇水泥环、套管的振动信号与钻进地层的振动信号的时域特征不同。提出一种基于时域统计特征的井眼碰撞识别方法,通过识别振动信号的特征差异,实现对钻头碰撞邻井井眼的及时预警。首先在时域上提取信号的分散特征和形状分布特征,然后利用主成分分析法对时域特征进行降维处理,进而得到主要特征成分,最后利用支持向量机对特征进行分类训练,以完成对钻进地层和钻遇水泥环、套管的自动识别。通过南海某钻井平台现场作业数据检验,验证了该方法的可行性,表明该方法可以加强海上丛式井作业的安全性。     

定向钻井PDC钻头三维钻速预测方法

综合考虑PDC钻头的切削作用、钻具组合的力学作用和地层岩石可钻性各向异性,根据钻头力平衡原理,建立一种新的PDC钻头三维钻速预测方法。在钻头瞬态力平衡计算中,不仅考虑钻具组合的力学作用,还考虑钻头冠部的侧向不平衡力和保径受力对PDC钻头切削作用的影响。结果表明:井眼轨迹的预测结果与实测结果有较高的吻合度,说明方法合理;根据具体的钻头结构参数和地层可钻性各向异性,通过数值计算可获得钻头的轴向和侧向钻速,不需要取得地层法向钻进效率;在钻头瞬态力平衡计算中,钻头侧向不平衡力过大将增大井眼轨迹控制的难度,对PDC钻头布齿参数的进行优化设计可以减小钻头的侧向不平衡力,进而减小钻头漂移角和工具面变化范围,增强井眼轨迹控制能力。     

地层力计算新模型

定量计算钻头与地层之间的作用力对井眼轨迹控制具有重要意义.由三维钻速方程出发,根据钻头合位移方向即为其运动方向的思想,推导出了计算地层力的新模型.该模型综合考虑了地层和钻头的各向异性以及钻头转角的影响,它不受稳斜稳方位条件的限制,是现有地层力模型的补充和扩展.研究结果表明,钻头各向异性和钻头转角对地层力均有影响,把钻头当作各向同性处理时,计算出的地层力比实际钻头条件下要小;在井眼方位和地层下倾方位之间夹角不同条件下,不考虑钻头转角的影响,地层力会略高或略低于考虑转角的情况.由于钻头转角对地层力的影响很小,计算地层力时可以忽略.     

页岩气水平井前导地质物理模型的测井研究

以川南威远地区寒武系筇竹寺组页岩气为研究对象,首先,利用邻井的测井储层评价结果优选“地质甜点”作为导向目标层;其次,分析沿井眼轨迹方位钻遇不同岩性、物性、含油性及脆性的地层剖面的随钻测井响应特征,并根据LWD和MWD资料实时确定地层倾角和厚度,准确建立前导地质物理模型;最后,利用井眼轨迹-随钻测井曲线-气藏岩性剖面综合成图技术及时判断水平井井眼轨迹在页岩储层中的位置、延伸长度及上下行方向,实时优化井眼轨迹与修正前导地质物理模型,指导钻头在优质页岩储层中的钻进,提高钻遇率。将该方法应用于研究区的页岩气水平井地质导向钻井中,效果明显。     

地层力计算新模型

定量计算钻头与地层之间的作用力对井眼轨迹控制具有重要意义。由三维钻速方程出发，根据钻头合位移方向即为其运动方向的思想，推导出了计算地层力的新模型。该模型综合考虑了地层和钻头的各向异性以及钻头转角的影响，它不受稳斜稳方位条件的限制，是现有地层力模型的补充和扩展。研究结果表明，钻头各向异性和钻头转角对地层力均有影响，把钻头当作各向同性处理时，计算出的地层力比实际钻头条件下要小；在井眼方位和地层下倾方位之间夹角不同条件下，不考虑钻头转角的影响，地层力会略高或略低于考虑转角的情况。由于钻头转角对地层力的影响很小，计算地层力时可以忽略。     

利用张力样条模拟定向井井眼轨迹的方法研究

根据张力样条的特性及定向井井眼轨迹的形成规律,提出了用张力样条模拟定向井井眼轨迹的方法.详细介绍了用张力样条法确定定向井井眼轨迹的步骤.利用这种方法可以计算定向井任一点的空间位置.实例计算结果表明,在已知任意个相邻测点之间,用张力样条插值计算未知测点的井斜角和方位角,与实测值相比,误差很小,满足实际井眼轨迹计算的要求,具有实用价值,为定向井井眼轨迹的计算提供了一种新的方法.     

基于独立成分分析的钻头振动信号识别方法研究

在海上丛式井井眼防碰监测中,风险邻井套管头检测到的钻头振动信号受到平台噪声干扰,针对钻头振动特征信号难以分离识别的问题,提出了一种基于独立成分分析（ICA）分离同频率范围信号的方法。首先对采集到的信号作限幅滤波处理以滤除部分干扰噪声,然后应用ICA方法分离获得不同源的若干路独立信号（其中包含钻头振动信号）,根据独立信号时-频特征分析,结合先验知识实现钻头振动特征信号的识别。通过丛式井防碰现场数据表明该方法可以有效地分离识别钻头振动信号,以提取出信号的能量为标准,能够准确判断钻头趋近风险井套管程度,达到在防碰预警目的。     

钻柱与实钻水平井眼接触形态及摩阻影响分析

水平井钻进过程中,地层结构、钻具振动、钻头侧向力、岩屑沉积等因素易导致实钻井眼轨迹发生连续小幅偏斜。该种偏斜虽不会引起实钻井眼轨迹的严重偏离,但将改变钻柱与井壁的接触形态。受现有测井方法的限制,该种偏斜常被忽略。通过理论分析与仿真,研究水平段井眼轨迹在井斜平面内连续小幅偏斜波动条件下的钻柱与井壁接触形态及其对摩阻的影响。研究认为,钻柱与偏斜波动水平井眼间易发生"悬跨"接触,该现象降低了现有解析法求解钻柱力学相关问题假设条件"钻柱与井壁连续接触"的合理性。钻柱自重和轴向力对悬跨钻柱弯曲位移及悬跨接触最大临界跨距的影响最大。悬跨接触将减小钻柱与井壁的接触面积、增大钻进摩阻。     

井壁变形和摩擦阻力对底部钻具组合的影响

将井壁变形与摩阻因素引入力学模型,以滑动摩擦为主建立了摩擦模式,用文氏弹性地基模拟井壁变形(即弹性井壁),应用有限元理论,研究了井壁与钻柱的相互作用对钻头侧向力的影响。计算结果表明,对较软地层井壁变形的影响不可忽视,尤其对三维井眼或造斜钻具,井壁变形对钻头侧向力的影响很大;摩擦与井眼弯曲共同产生了方位侧向力,而摩擦对井斜侧向力影响很小;稳斜钻具的钻头侧向力受井眼弯曲、井眼蚀变因素的影响较为突出。     

基于支撑向量机的井眼轨迹预测新方法

提出了一种利用支撑向量机(SVM)进行井眼轨迹预测的新方法,它基于小样本统计学习理论,通过对一口或几口已钻井的轨迹数据进行学习训练支撑向量机,建立井眼轨迹的支撑向量机预测模型。对多口井的实验结果分析表明,该方法估计精度高且易于现场推广使用。     

考虑连续特性的水平井钻柱轴向振动分析

为精确的描述水平井钻柱轴向受迫振动规律,本文以连续性波动理论为基础,考虑了钻柱连续特性、库伦阻尼及钻井液粘性阻尼作用和轴向振动工具对钻柱的位移激励,并采用等效粘性阻尼法对库仑阻尼进行线性化处理,建立了轴向振动工具作用下的水平井钻柱运动的动态解析模型;通过Burnett等人发表的轴向振动工具测试实验验证了本文所建模型,并利用数值模拟分析了轴向振动工具的频率及钻柱与井壁间摩擦系数对水平井钻柱轴向受迫振动的影响。结果表明：在一定范围内增加轴向振动工具的振荡频率可提高水平井钻柱的轴向受迫振动响应;钻柱与井壁间摩擦系数对水平井钻柱轴向受迫振动的影响随着钻柱长度的增加而降低。本文的研究方法和模型可为改善轴向振动工具在水平井作业中的作用提供理论指导。     

利用钻柱振动频谱判别钻柱复杂情况的方法

为实现钻井过程中井下钻柱运动状态以及井下复杂情况的实时监测,依据振动测试原理,结合实际钻井工况中钻柱振动特征,研制钻柱振动信号测量及处理系统。现场试验结果表明:钻柱出现黏卡、跳钻等现象后,利用快速傅里叶变换和小波变换处理方法可有效提取和识别钻柱在井下的振动特征;研制的钻柱振动采集系统可以应用于现场钻柱振动信号的采集、处理,其结果可以判断钻柱的井下工作状态。     

梨树断陷页岩气水平井钻井关键技术

为解决部署在梨树断陷的首口页岩气水平井梨页1HF井存在的井壁失稳风险高、机械钻速低、固井施工难度大、井眼轨迹控制难度大等技术难题。在梨页1HF井施工过程中,通过综合应用油基钻井液、旋转导向地质导向、双凝双密度水泥浆等技术,并进行了钻头优选和钻具组合优化。施工结果表明井眼稳定,井眼轨迹平滑,水平段共完成进尺1 020 m,储层钻遇率92.7%,固井质量优秀。该井实现了安全、高效钻进,实际钻井周期22.56 d,较设计钻井周期缩短了14.94 d,平均机械钻速7.98 m/h,较设计提高了82.19%。该井良好的施工效果,可见对后续梨树断陷页岩气水平井施工具有积极的指导和借鉴作用。     

减振器安装位置对钻柱纵向振动影响的研究

从2004年至2005年初,在塔里木油田共发生了6起石油减振器断裂失效事故,其中花键筒母扣根部断裂占了4起,油缸母扣根部断裂1起,芯轴断裂1起。针对上述事故,通过研究建立减振器安装位置不受限制、钻杆和钻铤长度可任意变化的整体钻柱纵向振动分析数学模型,确定了该模型的计算方法;拟定出计算用钻具组合及计算用井深;由计算机模拟分析得到在不同转速和减振器在不同安装位置情况下的计算值,由此得出结论：减振器安装在钻头上方不同的位置,可达到不同的减振效果和变化的钻头破岩冲击动载,进而确定出减振器的最佳安装位置;减振器安装在最佳位置,减振效果将提高几倍至十几倍,同时在不加大钻压的情况下可提高钻头的破岩能力。减振器最佳安装位置的钻柱新组合在塔里木油田大北3井现场试验获得成功,表明其研究具有广阔的应用前景。     

定向井轴向振动有限元分析

在定向井钻井施工中钻柱受力是很复杂的.仅钻柱振动就存在轴向振动、横向振动和扭转振动,其中钻柱轴向振动是导致钻柱失效的主要因素之一,因此需要进一步对定向井轴向振动进行研究.利用有限元方法分析了钻柱轴向振动规律.首先根据定向井特点建立全井钻柱模型,然后以钻柱单元为研究对象,建立了全井钻柱轴向振动的力学模型,采用线性代数方法,通过计算机分析获得了钻柱轴向振动的共振频率分布规律.钻柱轴向共振,其共振频率取决于钻柱的材料性能及形态特性,与钻柱的长度关系不大.在达到轴向共振状态时,钻柱与井壁激烈地碰撞,使钻柱短时间内产生严重破坏,同时还会造成井塌事件,给钻井施工带来经济损失.该问题的研究对指导钻井施工,减少跳钻、避免钻柱失效等情况有很大意义.